Bu çalıĢmada HP ve HS kalite B4C tozlarının, çeĢitli oksit sinterleme katkılarının ilavesinde, 50 MPa basınçta, 5 dakika süreyle, vakum altında Spark Plazma Sinterlemesi gerçekleĢtirilmiĢ, numuneler yoğunluk, sertlik, kırılma tokluğu değerleri ölçülerek ve XRD, SEM teknikleri kullanılarak karakterize edilmiĢtir.
HP ve HS kalite tozlarda gerçekleĢtirilen TEM çalıĢmalarında, söz konusu tozlarda sinterlemeyi kolaylaĢtıracak herhangi bir yapısal hata saptanmamıĢtır.
Küçük tane boyutuna sahip HS kalite tozlarla üretilen B4C numunelerinin daha yüksek yoğunluk (>%99) ve mekanik özelliklere sahip olduğu anlaĢılmıĢtır.
Sinterleme öncesi ısıl iĢlem uygulanan numunelerde sertlik ve yoğunluk değerleri değiĢmezken kırılma tokluğunda tane büyümesi nedeniyle düĢüĢ gözlenmiĢtir.
1800oC’de HP kalite B4C ile üretilen numunelerde %97,9 rölatif yoğunluğa ulaĢılırken, HS kalite B4C ile 1770oC’de üretilen numunelerde %99,4 değerine ulaĢılmıĢtır ve 1700oC’de sinterlenen numunede %90,7 rölatif yoğunlukları elde edilmiĢtir. HS kalite B4C ile 1670oC’de sinterlenen numunede %93,2 rölatif yoğunluk değeri hesaplanmıĢtır. Sıcaklığın artıĢı ile rölatif yoğunluğun arttığı görülmüĢtür. Isıl iĢlem görmüĢ tozların 1770oC’de sinterlenmesiyle %99,1 rölatif yoğunluğa ulaĢılmıĢtır.
Al2O3 katkılı numunelerde sinterleme sonrası çeĢitli aluminyum borat bileĢiklerine rastlanırken, Y2O3 katkılı numunelerde Y4C7 ve YB12 bileĢiklerine rastlanmıĢtır. SiO2 katkılı numunelerde SiO2’in SiC’e dönüĢtüğü gözlemlenmiĢtir. Al2O3, Y2O3’ü bir arada içeren numunelerin tümünde ise YAlO3, Al3Y gibi bileĢikler elde edilmiĢtir. XRD’de görülen fazlar, SEM görüntüleri alınırken yapılan EDS analizleri ile teyit edilmiĢtir.
Katkılı numunelerin yoğunluk değerleri incelendiği zaman, en yüksek rölatif yoğunluk değerleri (%99,5) Y2O3 katkılı numunelerde gözlemlenmiĢtir. Yitriyum oksiti, Al2O3 katkılı numuneler (%98,5) izlemektedir.1740oC’ de sinterlenen, SiO2 ve Al2O3+Y2O3 katkı numunelerde %97-98 arası rölatif yoğunluk değerleri sağlamıĢtır.
Katkı malzemelerinin sinterleme sıcaklığını düĢürdüğü fakat Y2O3 hariç diğer tüm katkıların yoğunlukta düĢüĢe sebep olduğu saptanmıĢtır.
SEM incelemeleri ile porsuz yapı teyit edilmiĢtir.Ancak SiO2 katkılı numunelerde yapıda SiC dönüĢümü dıĢında , reaksiyona girmemiĢ SiO2’nin kalıp kalmadığının anlaĢılması için ilave TEM çalıĢmalarına ihtiyaç vardır.
Katkısız B4C numunelerinde elde edilen sertlik değerleri HS ve HP kalite tozlar için 32,2±2 Gpa ve 32,6±1,55 GPa olarak elde edilmiĢtir. HS kalite tozlar ile sinterlenen katkılı numunelerde, sırasıyla katkılı numunelerde en yüksek sertliği Y2O3 katkılı numuneler (36,7±1 GPa) verirken, bu numuneyi sırasıyla SiO2 (34,8±0,9 GPa), Al2O3+Y2O3 (34,6±0,6 GPa), Al2O3 (32,6±1 GPa) katkılı numuneler takip etmektedir. Katkı ilavesinin sertlik değerlerini arttırdığı görülmüĢtür.
Katkısız B4C numunelerinde elde edilen kırılma tokluğu değerleri HS ve HP kalite tozlar için 4,3±0,7 MPam1/2 olarak elde edilmiĢtir. Katkılı numunelerde ise en yüksek kırılma tokluğu değerlerini 4±02 MPam1/2
ve 4±0,3 MPa m1/2 değerleri ile sırasıyla Al2O3 ve SiO2 ilaveli numunelerde elde edilmiĢtir. En düĢük kırılma tokluğu, en yüksek sertliğe sahip (36 GPa) Y2O3 katkılı numunede 3,7±0,3 Mpa m1/2
olarak ölçülmüĢtür. Al2O3+Y2O3 katkılı numunelerde 3,8±0,3 MPam1/2 değeri elde edilmiĢtir. Yapılan katkıların kırılma tokluklarını düĢürdüğü anlaĢılmıĢtır.
HS kalite katkısız tozlardan sintrelem sonucu üretilen numunelerde ortalama tane boyutu 1-2 µm olarak ölçülürken, HP kaliteden üretilen numunelerde ise 3-4 µm olduğu saptanmıĢtır.
ÇalıĢma esnasında farklı kalıplarla yapılan deneylerde farklı sonuçlar elde edilmiĢtir. Kalıp cinsi ve kalınlığındaki küçük değiĢimin sinterleme özelliklerini etkilediği görülmüĢtür.
En yoğun ve sert numune Y2O3 katkısı ile elde edilmiĢtir ve bu malzeme zırh kullanımına önerilebilir.
KAYNAKLAR
[1] TMMOB Metalurji Mühendisleri Odası, 2003. Bor Raporu.
[2] Karabaş, K., 2006. Bor karbür üretimi, yüksek lisans tezi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Dokuz Eylül Üniversitesi, Ġzmir.
[3] Spohn, M., 1994. Boron Carbide, Minerals Review, 6, 113-115. [4] Url-1 <http://www.ceradyne.com>, alındığı tarih 10.02.2009
[5] Çınar, F., Ergun, N. ve Yucel, O., 2007. Preparation of B4C-SiC composites by Reactive Hot Pressing, Ġstanbul.
[6] Skorokhod, V. ve Kristic, V. D., 2000. Processing, microstructure, and mechanical properties of B4C-TiB2 particulate sintered composites. II. Fracture and mechanical properties. Powder Metallurgy and Metal Ceramics, 39, 9-10.
[7] Schwetz K. A., 1999. Boron carbide, boron nitride, and metal boride, Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Sixth Editions, Wiley-VCH Verlag GmpH.Weinheim, Germany.
[8] Thevenot, F., 1990. Boron carbide-A comprehensive review. Journal of the European Ceramic Society, 6, 205-225.
[9] Weimer, A.W., 1997. Thermochemistry and kinetics, in carbide, nitride and boride materials synthesis and processing, Chapman & Hall, London, England. [10] Beauvy,J., 1983. System B-C solid state phase equilibria, J.Less-comman
Metals, 90 (2), 169-75.
[11] Niihara,K., Nakahira, A. ve Hirai, T., 1984. The effect of stoichiometry on mechanical properties of boron carbide. J.Am.Cerm.Soc.,67(1),C13- 14. Reprinted by permission of the American Ceramic Society, Westerville,OH.
[12] Schwetz, K. A. ve Lipp, A., 1985. Boron carbide, boron nitride, and metal borides, in Ullmann s Encyclopedia Of Industrial Chemistry, 5th ed., Vol. A4, VCH, Germany.
[13] Aselage,T.L. ve Tissot,R.G.,1992. Lattice constants of boron carbide. J.Am. Ceramic Soc., 75 (8), 2207-2212.
[14] G. Ferrari, G., 1988. The `Hows' and `Whys' of armour penetration, MILTECH, 81-96.
[15] Taylor, K. M. ve Palicka, R. J., 1974. Dense carbide composites bodies and method of making same, US Patent, No: 3796564.
[16] Cho, N., 2006. Processing of boron carbide. PhD thesis, Georgia Istitute of Technology, School of Materials Science and Engineering, Atlanta, USA.
[17] Karabaş, K., 2006. Bor karbür üretimi, yüksek lisans tezi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Dokuz Eylül Üniversitesi, Ġzmir.
[18] Wentorf, R. H., Jr., 1991. Refractory boron compounds, Kirk Othmer,Encyclopedia of Chemical Technology, John Wiley & Sons, New York, USA.
[19] Thomson, R., 1970. The chemistry of metal borides and related compounds, in progress in boron chemistry (R. J. Brotherton and H. Steinberg, eds.), Pergamon Press Ltd., New York, USA.
[20] Makarenko, G. N., 1977. Borides of the IVb group, in boron and refractory borides (V. L. Matkovich, ed.), Springer-Verlag, Berlin.
[21] Göller, G., 1992. Bor karbür oluĢum koĢullarının belirlenmesi ve toz karakterizasyonu, yüksek lisans tezi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Ġstanbul Teknik Üniversitesi, Ġstanbul.
[22] Kim, H., Koh, Y. ve Kim, H.E., 2000. Densification and mechanical properties of B4C with Al2O3 as a sintering aid. Journal of American Ceramic Society. 11, 2863-2865.
[23] H. Lee, R.F. Speyer ve W.S. Hackenberger, 2002. J. Am. Ceram. Soc., 85, 2131.
[24] H. Lee ve R.F. Speyer, 2003. J. Am. Ceram. Soc., 86, 1468.
[25] Roy, T.K., Subramanian ve Suri, C. A. K., 2005. Pressureless sintering of boron carbide, Ceramics International, 32, 227–233.
[26] Upadhyaya, G.S., 2000. Sintered metallic and ceramic materials, preparation, properties and applications, John Wiley and Sons, Inc., New York, USA.
[27] Chen, M. W., McCauley, J. W., LaSalvia, J. C. ve Hemker, K. J., 2005. Microstructural characterization of commercial hot-pressed boron carbide ceramics, J. Am. Ceram. Soc., 88, 1935–1942.
[28] Addemir, O., Bor ürünlerinin teknolojileri ve Türkiye'nin durumu. Yüksek Teknoloji Seramik ve Kompozitleri Araştırma Merkezi, İTÜ.
[29] Bower. J. G., 1969. Elemental boron, preparation, properties and applications, in progress in boron chemistry, (R. Brotherton and H. Steinberg, eds.), Pergamon Press, Oxford, UK.
[30] Schwetz, K. A., ve Lipp, A., 1985. Boron carbide, boron nitride, and metal borides, Ullmann’s Encyclopedia of lndustrial Chemistry, 5th Ed., Vol. A4, VCH, Germany.
[31] Kang, S. J. L., 2005. Sintering, densification grain growth and microstructure, Butterworth-Heinemann Elsevier, England.
[32] Somunkıran, İ. ve Özel, S., 2006. Fe esaslı toz alaĢımında sinterleme Sıcaklığının aĢınma direncine etkisi, 11. Uluslararası Malzeme Sempozyumu, 153-157.
[33] Lame, O., Bellet, D., Michiel, M. D. ve Bouvard, D., 2004. Bulk observation of metal powder sintering by X-ray synchrotron microtomography, Acta Materialia, 52(4), 977-984.
[34] Url-2 http://www.turktoz.gazi.edu.tr alındığı tarih: 15.08.2008.
[35] Orlovskaya, N. ve diğ., 2003. Design and manufacturing B4C-SiC layered ceramics for armour applications, 105th Annual Meeting of the American Ceramic Society, Nashville,Tennessee, USA, April 27-30, 89-97.
[36] Rahaman, M. N., 2003. Ceramic processing and sintering, G, Marcel Dekker Inc.,USA.
[37] Barsoum, M. W., 2003. Fundementals of ceramics, Institute of Physics Publishing, Bristol, UK.
[38] Upadhyaya, G. S., 2000. Sintered metallic and ceramic materials, preparation, properties and applications, John Wiley and Sons, Inc., New York. [39] Boch, P. ve Niepce J. C., 2007. Ceramic materials processes, Properties and
Applications, ISTE Ltd, USA.
[40] M. Tokita, Mechanisim of spark plasma sintering. Sumitomo Coal Mining Company, Japan.
[41] Tamburini, U. A. ve Munir, Z. A., 2005. Influence of synthesis temperature on the defect structure of boron carbide: Experimental and modeling studies, 2005. J. Am. Ceram. Soc., 88 (6), 1382–1387.
[42] Dobedoe, R.S., West, G.D. ve Lewis, M.H., 2003. Spark plasma sintering of materials, Europen Ceramic Society, 1, 19-24.
[43] Rice, R., W., 2003. Ceramic fabrication technology , Marcel Dekker INC., Basel, New York, USA.
[44] Zorzi, J.E., Perottoni, C.A. ve Jornada, J.A.H., 2005. Hardness and wear resistance of B4C ceramics prepared with several additives , Materials Letter, 59, 2932-2935.
[45] Schwetz, K.A. ve Grellner, W., 1981. The influence of carbon on the microstructure and mechanical properties of sintered boron carbide , Journal of the Less Common Metals, 82, 37-47.
[46] Swain, M.V., 1993. Structure and properties of ceramics, Materials Science and Technology, Vol.11, VCH Publishers Inc., NY, USA, , pp. 175–258. [47] Mashhadi ,M., Taheri-Nassaj, E., Sglavo ,V. M., Sarpoolaky ,H. ve Ehsani,
N., 2009. Effect of Al addition on pressureless sintering of B4C, Ceramics International, 35, 831–837.
[48] Mehri Mashhadi, Ehsan Taheri-Nassaj ve Vincenzo M. Sglavo, 2006. Pressureless sintering of boron carbide. Ceramics International, 32, 227–233.
[49] Miyazaki, H., Zhoua, Y., Hyuga, H., Yoshizawa, Y. ve Kumazawa, T., 2009. Microstructure of boron carbide pressureless sintered in an Ar atmosphere containing gaseous metal species, Journal of the European Ceramic Society, 30, 999-1005.
[50] Frage, N., Hayun, S., Kalabukhov, S. ve Dariel, M. P., 2007. Refractory and ceramic materials, the effect of Fe addition on the densification of B4C powder by spark plasma sintering, Powder Metallurgy and Metal Ceramics, 46, 11-12.
[51] Levin, L., Frage, N. ve Dariel, M.P., 2000. A novel approach for the preparation of B4C-based cermets, International Journal of Refractory Metals & Hard Materials, 18, 131-135.
[52] Levin, L., Frage, N. ve Dariel, M.P., 1999. The Effect of Ti and TiO2 Additions on the Pressureless Sintering of B4C, Metallurgical and Materials Transactions A, 30A, 1999-3201.
[53] Goldstein, A.,Yeshurun, Y. ve Goldenberg, A., 2007. B4C/Metal Boride Composites Derived from B4C/Metal Oxide Mixtures, Journal of the European Ceramic Society, 27, 695-700.
[54] Subramanian, C., Roy, T.K., Murthy, T.S.R.Ch., Sengupta ,P., Kale , G.B., Krishnaiah , M.V. ve Suri, A.K., 2008. Effect of zirconia addition on pressureless sintering of boron carbide, Ceramics International, 34, 1543–1549.
[55] Goldstein, A.,Yeshurun, Y. ve Goldenberg, A., 2001. Boron carbide– zirconium boride in situ composites by the reactive pressureless sintering of boron carbide–zirconia mixtures. J. Am. Ceram. Soc., 84(3) , 642–44.
[56] Yamadaa, S., Hiraob, K., Yamauchib, Y. ve Kanzakib,S., 2003. B4C-CrB2 composites with improved mechanical properties, Journal of the European Ceramic Society, 23, 561–565.
[57] Baharvandi ,H. R., Hadian ,A. M. ve Alizadeh, A., 2006. Processing and
mechanical properties of boron carbide–titanium diboride ceramic matrix composites. Appl. Compos. Mater. , 13, 191–198.
[58] Jianxin Deng, Jun Zhou, Yihua Feng ve Zeliang Ding, 2002. Microstructure
and mechanical properties of hot-pressed B4C/(W, Ti)C ceramic Composites, Ceramics International, 28, 425–430.
[59] Cai, K. ve Nan, C., 2000. The Influence of W2B5 addition on microstructure and thermoelectric properties of B4C ceramic, Ceramics International, 26, 523-527.
[60] Sun, J., Liu, C. ve Duan, C., 2009. Effect of Al and TiO2 on sinterability and mechanical properties of boron carbide, Materials Science and Engineering, A509, 89–93.
[61] Li, A., Zhen, Y., Yin, Q., Ma, L. ve Yin, Y., 2006. Microstructure and properties of (SiC, TiB2)/B4C composites by reaction hot pressing, Ceramics International, 32, 849–856.
[62] Yuhua,Z., Aiju, L., Yansheng, Y., Ruixia, S. ve Yingcai, L., 2004. Reactive and dense sintering of reinforced-toughened B4C matrix composites, Materials Research Bulletin, 39, 1615–1625.
[63] Hayun, S., Kalabukhov, S., Ezersky, V., Dariel, M.P. ve Frage, N., 2009. Microstructural characterization of spark plasma sintered boron carbide ceramics, Ceramics International , 36, 451-457.
[64] Dipankar, G., Ghatu, S., Tirumalai, S. S., Ramachandran, R. ve Xin-Lin, G., 2007. Dynamic indentation response of fine-grained boron carbide, J. Am. Ceram. Soc., 90, 1850–1857.
[65] Kim, K. H., Chae, J. H., Park, J. S., Ahn, J. S. ve Shim, K. B., 2009. Sintering behavior and mechanical properties of B4C ceramics fabricated by spark plasma sintering, Journal of Ceramic Processing Research, 10(6), 716-720.
[66] Hayun, S., Paris, V., Dariel, M.P., Frage, N. ve Zaretzky, E., 2009. Static and dynamic properties of B4C, Journal of the European Ceramic Society, 29, 3395–3400.
ÖZGEÇMİŞ
Ad Soyad: Yusuf ÇELĠK
Doğum Yeri ve Tarihi: Beyoğlu, Ġstanbul 15.05.1985 Adres: 4.Etap 1.Kısım Lale Sok. No:21 BaĢakĢehir/Ġstanbul
Lisans Üniversite: Ġstanbul Teknik Üniversitesi, Metalurji ve Malzeme Mühendisliği